某些含有電荷密度波(charge density wave, CDW)的材料可望用來製作效率更高的電子元件，不過這些材料進入此量子態的溫度比室溫低了不少，造成實際應用的困難。最近，美國研究人員發現，藉由縮減材料厚度至奈米級可以升高此相變溫度(phase transition temperature)。此結果意味著電荷密度波元件可望在不需特殊冷卻設備的近室溫環境下運作，對於像資訊編碼與處理等應用領域而言可謂一大福音。
在積體電路使用的半導體中，電子的行為如同獨立粒子，在材料內行進時會被聲子(phonon, 晶格振動量子化的準粒子)散射，此現象會造成電阻，並造成元件的功率耗損。電荷密度波為一種量子態，在此狀態下電子與聲子緊密耦合，並在材料內一同傳播，形成集體電流而大幅降低電阻值。不過，使電荷密度波材料產生此集合量子態所需之溫度要低到約200K。
加州大學河濱分校的Alexander Balandin研究團隊最近證實，將二硒化鈦(TiSe2)的厚度縮減到低於100 nm，可讓此溫度提高40K。Balandin說明，隨著矽基積體電路與電子元件持續縮小，能量耗損是限制微型化的主要因素之一，原因是電晶體在每次開關動作時都會消耗能量，而耗能大小與元件電子數目和溫度成正比關係。
此現象源自於熱力學定律，因此無法改變，但是如果電子處於集合狀態，每次開關循環所造成的損耗下限便可以大幅降低。研究人員分析樣品的拉曼光譜變化，藉此獲得二硒化鈦內的電荷密度波的相變溫度。待測樣本的厚度從數微米縮減至奈米大小。二硒化鈦屬於凡得瓦材料(van der Waals materials)，這種物質一般具有層狀的晶格結構，層與層之間藉由微弱的凡得瓦力連結，因此能從塊材晶體逐漸剝離而取得各種不同厚度的樣品。
受到上述研究成果的鼓舞，該團隊目前計畫著手以電荷密度波材料，打造第一個室溫下可用的電子元件。詳見Nano Lett.｜DOI: 10.1021/nl303365x。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝